淺談新型高精度測量儀器在工程測量中的應用

孔海峽

摘 要：隨著國家經濟的快速發展，加快了各項工程項目高質量建設的步伐。工程建設中，對于工程測量精度的要求不斷提高。目前，工程測量儀器不斷發展、更新，其精度和測量的準確度得到了極大地改善，一批批新型高精度測量儀器應運而生。文章就部分新型高精度測量儀器在工程測量中的應用進行簡述，并闡述新型高精度儀器對工程測量的影響。

關鍵詞：新型；高精度；測量儀器；工程測量；應用

中圖分類號：TV221 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0117-03

1 前言

工程測量是借助各類專業測量儀器設備，對不同工程項目的方位、坐標、地形地貌、實體輪廓等等進行數據及參數的測量和收集的過程。工程測量是工程項目施工的前期階段，如缺少精確的工程測量數據，將很難開展工程的后續工作，工程測量在整個工程項目中發揮著極其重要的作用。

隨著科技水平不斷進步，一項項新型高精度測量技術陸續出現，促使傳統的測量技術手段得到極大地改變，測量數據的精確程度不斷提高，對于工程測量產生了巨大的影響。新型高精度測量儀器主要表現為智能化和數字化，其科技含量高，在實際工程測量應用中表現出諸多優勢，如測量精度高、測量效率高、實時跟蹤測量、人工成本降低、人為影響因素減少等特點，較傳統的工程測量儀器設備具有明顯的優勢。

2 新型高精度測量儀器的特點

傳統的測量技術分為水準測量和三角高程測量。其中，水準測量具有高度測量方面較高的精確度，而在水平測距中因受到地形起伏變化導致其精確度明顯下降；三角高程測量在實際應用中存在較大的局限性，其操作不夠便捷，雖在大比例地形測繪、市政工程等工程測繪中應用廣泛，但其測量誤差較大，這些亟待改進的問題和缺點限制著傳統測量儀器和測量技術的推廣應用。

隨著科技和經濟的快速發展，工程測量對測量儀器的要求越來越高，傳統的測量儀器已無法滿足現代工程項目測量的需求。因此，新型高精度測量儀器應運而生。新型高精度測量儀器在測量誤差校正、便捷操作、智能化等方面取得極大地突破。

數字化技術為工程測量帶來了一場科技革命，該技術已廣泛應用于新型高精度測量儀器，實現了工程測量過程中的計算機編輯和修補，呈現出高精確度的數字化地圖，相比傳統測量，凸顯低勞動強度、方便快捷、實時更新及便于存儲使用的優點。隨著數字化技術與測量儀器相結合而誕生的新型高精度測量儀器對工程測量發揮的作用和影響也越來越大。

3 新型高精度測量儀器在工程測量中的應用

諸多新技術與高精度測量儀器融為一體，實現了例如數字化成圖等功能，在各項工程項目建設中的工程測量方面得到廣泛推廣應用?，F就舉例說明新型高精度測量儀器在工程項目中的典型應用。

3.1 超高精度全站儀在城市地鐵控制測量中的應用

在城市地鐵建設中，測量起著至關重要的作用，從地鐵建設初期的規劃勘察、地鐵施工前期的控制網和控制導線測量到地鐵車站的施工建設以及盾構機推進過程中導線測量和盾構機引導測量，再到最后地鐵建成通車后的健康運營監測，可以說，測量貫穿著城市地鐵建設的始終。而控制導線測量是地鐵建設過程中的一部分，就是在地鐵建設施工前對整個地鐵沿線布置的控制點進行測量，以指導地鐵車站施工和盾構機推進過程中的測量。

地鐵控制測量的精度要求非常高，施工工期很緊，測量單位選擇測量儀器設備非常嚴格，要求不但能提供高精度的指標，而且在自動化程度上體現出更高的作業效率。徠卡全新的超高精度全站儀TS30，不僅可以為城市建設提供精度保證（測角精度可以達到0.5〞，測距精度可以達到0.6mm+1ppm），而且全新的壓電陶瓷驅動技術（180°/s轉速）比使用傳統馬達驅動的全站儀的效率整整提高了3倍，超高精度全站儀TS30測量數據的穩定性和可靠性大幅度提升。

高精度全站儀TS30不但擁有過硬的硬件結構和技術性能，而且在配備了由徠卡上海技術中心開發的本地化多測回測角程序以后，更加適應了中國測量工程師的操作使用習慣。多測回測角程序完全根據中國規范進行開發編制，具有規范中涉及的多種限差檢核（包括測回差、測回互差以及歸零差等等），可以真正做到在測量的過程中對測量數據進行監督檢查，保證測量成果的可靠性，并且觀測的數據可以生成報表，同時允許輸出專業平差軟件所能識別的文件格式，非常方便。

目前，國內地鐵建設快速推進，超高精度全站儀TS30的誕生以及相配備的應用程序為城市地鐵控制測量提供了一套全方位的應用解決方案，充分保證了城市地鐵施工測量的精度以及作業效率，目前該儀器已在多個城市地鐵項目中得到廣泛推廣應用，發揮出巨大的作用。

3.2 頂管自動引導測量系統的應用

徠卡TCA全自動全站儀為用戶提供了強有力的編程編碼工具，用戶可根據自己的實際需要開發一些軟件來控制TCA完成相應的測量工作。一部分工程企業正是在這樣的前提下，積極引進徠卡的TCA1800全自動全站儀，研制開發自動引導系統，從而解決長距離曲線頂管工程中的測量問題，獲得了巨大的經濟和社會效益。

長距離曲線頂管工程中的測量工作非常繁雜。要保證管道按設計軸線頂進，要求頻繁測量機頭的位置。主要采用導線測量的方法設站，從工作井下固定點逐站測量到機頭。由于頂管頂進過程中，整條管道是移動前進的，管道內設的導線點也是移動的，進行一次測量都必須全程由井下至機頭逐站進行，測量結果就是一次性的。因此，采用傳統的人工測量方法費時費力，嚴重影響工程進度。

自動引導系統應用TCA全站儀能夠進行自動測量的優勢，因勢利導，可出色的完成工程中的測量任務，有效提高頂管的整體施工速度，保證頂管的質量。它直接將TCA全站儀固定安置在管道內壁，全站儀架在自動整平基座，以隨時整平因管道移動而傾斜的儀器。全站儀手柄上連接圓棱鏡，在整個導線測量的過程中充當相鄰點位的前視和后視點。全站儀在編寫的控制軟件發出的指令下，自動完成全部測量工作。每臺全站儀（包括工作井下基準點的全站儀）所測得的數據通過通訊電纜傳輸到工業計算機進行數據處理，計算出機頭的當前位置，并將之與設計的管道中心軸線相比，就可得到機頭的位置偏差，從而及時糾偏。整個測量過程幾分鐘便可完成，且不影響頂管施工，而人工測量占用的時間是它的幾十倍。管道口徑小的頂管采用人工方法測量用的難度將更難以想象。

3.3 移動測量系統在工程測量中的應用

移動測量系統集成了GPS全球定位、慣性導航、攝影測量、三維激光掃描等諸多前沿科技。GPS定位給出測量設備位置，慣性導航給出測量設備前進方向和照相機姿態，攝影測量利用GPS和慣導的數據給出外方位元素等信息。通過全（半）自動提取工具將視覺圖像的舒適性置信度與測量速度下點云的精度一起組合在基于GIS的界面中。

采用無基站、無控制點的室內采集模式，經過IE和AutoP軟件自動化處理生產軌跡、點云和影像成果。利用點云及影像數據成果，結合徠卡的Cyclone軟件點云編輯、切平面、建模等功能，形成了一整套軟硬件解決方案，能夠快速進行海量數據采集的同時，也能實現高效三維建模，對于建模效率至少提高70%以上，能很好的解決建筑測量的需求。

3.3.1 系統成果舉例

（1）點云成果：高程顯示的點云，墻體輪廓清晰，桌椅可分辨，適于建模。詳見圖1。（2）點云成果：反射強度點云，照片同步查看，對比圖中為植物、墻角。詳見圖2。（3）平面圖成果：結合徠卡Cyclone點云處理軟件，能夠快速生成任意方向的切平面，在CAD中快速提取建筑物平面圖。詳見圖3。（4）三維建模成果：結合徠卡Cyclone點云處理軟件，半自動地生成平面、三維模型，可以導出至CAD或3ds Max里。詳見圖4。

3.3.2 系統特點

Pegasus Backpack是徠卡測量系統推出的全新移動實景測量背包，配備5個相機和2個激光掃描儀，集成高精度GNSS+IMU慣導系統、平板電腦控制系統，采用碳纖維材質和人體工學設計制作而成，是當前市場上集高性能、高精度、便攜性于一體的高端移動測量背包系統，主要具有如下特點：

（1）采用SLAM技術能夠對任意環境和位置進行測量，包括室內、室外任何地方進行測量，能一次性解決室內和室外測圖。（2）兩個剖面掃描儀每秒共可測量60萬個點，測量有效半徑為50m-70m。（3）市面上像元尺寸超大的傳感器5.5um×5.5um；五個400萬像素的固定相機，拍攝視角360°×200°，使用者可根據行進距離調整相機的采樣間隔。（4）NovAtel ProPak6TM提供最新最尖端的精確GNSS接收機，通過穩定的現場驗證IMU在GNSS中斷10秒后精確，定位20mm RMS。（5）數據采集軟件同步顯示所有活動的相機和實時激光雷，同時可以進行激光掃描儀管理和GNSS操作。（6）能導出至CAD和其他軟件中（DWG，DXF，SHP，GDB，DGN，E57，HPC，LAS，PTS，NMEA，KMZ），便于編輯管理。

3.3.3 使用效果

（1）采用SLAM技術改進了室內測圖的軌跡計算，同時結合采集到的圖像和激光點云，使得繪制與更新平面圖更加容易。（2）借助頂尖的GPS和IMU組成的POS定位方案，在室外地區的絕對精度可達到5cm。室內則通過徠卡自主的SLAM算法，室內相對精度小于5cm-10cm，可滿足建筑測量精度的需求。（3）可以達到一次測量，多種數據信息獲取?？梢酝瑫r獲取點云與360°影像數據，另外可以搭配多種傳感器，例如近紅外、大氣污染檢測、探地雷達等，滿足不同項目的應用。（4）支持ArcGIS和AutoCAD兩個平臺，可以為使用者提供不同格式的數據成果使用。

4 結語

隨著國家經濟的快速發展，國家的各項工程建設進度和質量穩步提升，傳統測量儀器已無法滿足現代工程測量的需要，取而代之的是具有高科技含量的現代測量技術和儀器。這些儀器一方面提高了測量數據的準確性，另一方面從技術上改變了傳統的測量方式，使測量變得更加輕松便捷。新型高精度測量儀器是伴隨著現代科技的發展而產生的，其結合信息化、科技化及數字化的程度較高，在工程實際應用中較傳統測量儀器具有諸多優勢。相信諸多新型高精度測量儀器會伴隨著科技的發展進步得到更大程度的開發、利用，必將更好的服務于工程測量的需要。

參考文獻

[1]周英英.高精度測量儀器對工程測量的影響研究[J].華東科技（學術版），2013，（5）：476.